Álgebra lineal: ¿Cómo demuestro que si una matriz al cuadrado es igual a sí misma, su determinante es igual a [matemática] 1 [/ matemática] o [matemática] 0 [/ matemática]?

La pregunta original era “¿Cómo pruebo que si una matriz al cuadrado es igual a sí misma, es igual a 1 o 0?”, Y mi respuesta fue:

No puedes probarlo, porque no es cierto. Aquí hay un contraejemplo:
[matemáticas] \ left (\ begin {array} {cc}
\ tfrac {1} {2} y \ tfrac {1} {2} \\
\ tfrac {1} {2} y \ tfrac {1} {2}
\ end {array} \ right) ^ {2} = \ left (\ begin {array} {cc}
\ tfrac {1} {2} y \ tfrac {1} {2} \\
\ tfrac {1} {2} y \ tfrac {1} {2}
\ end {array} \ right) [/ math]

Después de que el OP dijo que se refería al determinante, mi respuesta cambió a:

Deje que [math] | A | [/ math] sea el determinante de la matriz [math] A [/ math]. Entonces, dado que los productos de los determinantes obedecen la relación [matemáticas] | AB | = | A || B | [/ matemáticas], tenemos:
[matemáticas] A ^ 2 = A \ Rightarrow | A ^ 2 | = | A | \ Rightarrow | A | ^ 2 = | A |. [/ Math]
Deje [math] a = | A | [/ math], entonces tenemos la ecuación cuadrática
[matemáticas] a ^ 2-a = 0 \ Flecha derecha a (a-1) = 0. [/ matemáticas]
Las únicas soluciones son [matemáticas] a = 0 [/ matemáticas] y [matemáticas] a = 1 [/ matemáticas].

En respuesta a la pregunta original, la clase general de matrices que satisfacen [matemáticas] P ^ 2 = P [/ matemáticas] se conoce como las matrices de proyección. La matriz de identidad es la única matriz de proyección invertible, pero hay muchas otras que no son cero.

Deje [matemáticas] M ^ 2 = M [/ matemáticas]. Entonces [matemáticas] | M ^ 2 | = | M | [/ matemáticas], entonces [matemáticas] | M | \, | M | = | M | [/ matemáticas]. Las únicas soluciones de esta ecuación son [matemáticas] | M | = 0 [/ matemática] o [matemática] | M | = 1 [/ matemáticas].

Es un teorema establecido (ver Determinante del producto de matriz en ProofWiki, por ejemplo) que si [matemáticas] A [/ matemáticas] y [matemáticas] B [/ matemáticas] son ​​matrices cuadradas, entonces [matemáticas] \ det (AB) = \ det (A) \ det (B) [/ matemáticas]. Entonces, si [math] A = B = AB [/ math], entonces tenemos [math] \ det (A) = \ det (A) ^ 2 [/ math]. Las únicas soluciones para [matemáticas] x = x ^ 2 [/ matemáticas] son ​​0 y 1.

Supongamos que detM no es cero, por lo tanto, M es invertible, de modo que M ^ 2 = M => M = Id y detM = 1

Entonces, las únicas dos posibilidades son detM = 0 o detM = 1